Обґрунтування параметрів анкерного кріплення комбінованої охоронної системи виробок високонавантажених очисних вибоїв в складних геологічних умовах

18

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ ГІРНИЧИХ ПРОЦЕСІВ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ АНКЕРНОГО КРІПЛЕННЯ КОМБІНОВАНОЇ ОХОРОННОЇ СИСТЕМИ ВИРОБОК ВИСОКОНАВАНТАЖЕНИХ ОЧИСНИХ ВИБОЇВ В СКЛАДНИХ ГЕОЛОГІЧНИХ УМОВАХ

Спеціальність 05.15.02 - підземна розробка родовищ корисних копалин

Халімендіков Євген Миколайович

Донецьк - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики гірничих процесів НАН України (м. Донецьк)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Ільяшов Михайло Олександрович, перший заступник генерального директора ЗАТ «Донецьксталь» - металургійний завод»

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кузьменко Олександр Михайлович, Професор кафедри підземної розробки родовищ Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ),

кандидат технічних наук, Сахно Іван Георгійович, доцент кафедри розробки родовищ корисних копалин Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк)

Захист дисертації відбудеться “05” квітня 2011 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.184.02 при Інституті фізики гірничих процесів НАН України (83114, м. Донецьк, вул.. Рози Люксембург, 72).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики гірничих процесів НАН України (83114, м. Донецьк, вул.. Рози Люксембург, 72).

Автореферат розіслано “_02_” березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук В.Г. Синков

АНОТАЦІЯ

Халімендіков Є.М. Обґрунтування параметрів анкерного кріплення комбінованої охоронної системи виробок високонавантажених очисних вибоїв в складних геологічних умовах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.02 - "Підземна розробка родовищ корисних копалин". - Інститут фізики гірничих процесів НАНУ, Донецьк, 2010.

У дисертації на основі встановлення лінійної залежності роботи опору анкерного кріплення від величини пластичної деформації анкерного опорного елементу та логарифмічного закону за яким зростає робота опору анкерів з віддаленням лави, розроблено і обґрунтовано нову методику випробування та послідовного аналізу несучої спроможності анкерного кріплення і дворівневу схему посилення комбінованої охоронної системи при відпрацюванні високонавантажених лав.

Вперше доведено можливість кількісної оцінки несучої спроможності анкерного кріплення по величині пластичної деформації анкерного опорного елементу, а також встановлено лінійну залежність між роботою пластичної деформації та величиною самої деформації. Отримало подальший розвиток уявлення про несиметричну деформацію перерізу підготовчої виробки, яка підтримується позаду лави в зоні активних зрушень комбінованою охоронною системою і забезпечує прямоточну схему провітрювання. Уточнено залежність роботи опору анкерів від відстані до лави, яка віддаляється та оптимальний діапазон жорсткості анкерного опорного елементу, в якому вона розсіює найбільший об'єм енергії гірського тиску.

Ключові слова: виконавантажений очисний вибій, підготовча виробка, стійкість, комбінована охоронна система, анкер, опорний елемент, пластична деформація, несуча спроможність.

АННОТАЦИЯ

Халимендиков Е.Н. Обоснование параметров анкерной крепи комбинированной охранной системы выработок высоконагруженных очистных забоев в сложных геологических условиях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых". - Институт физики горных процессов НАНУ, Донецк, 2010.

Целью работы является повышение устойчивости выемочной выработки высоконагруженной лавы на основе совершенствования параметров анкерного крепления в качестве составляющей комбинированной охранной системы.

В работе решены следующие задачи: выбраны объект, на котором проводятся исследования и процедура испытаний анкерной крепи, обеспечивающей заданный уровень надежности; обоснована и разработана методика оценки несущей способности анкерной крепи; усовершенствованы параметры комбинированной охранной системы подготовительных выработок, поддерживаемых позади высоконагруженных лав

В диссертации на основе установления закономерностей изменения работы сопротивления анкерной крепи в зоне активных сдвижений и связи этой работы с пластической деформацией анкерных опорных элементов, разработана и обоснована новая методика испытания и последовательного анализа несущей способности анкерной крепи, обеспечивающей достаточную достоверность результатов испытания за счет надежности 95 % при погрешности не более 12 %, а также обоснована двухуровневая схема анкерного усиления кровли при использовании комбинированной охранной системы выработок высоконагруженных лав.

В работе использован комплексный подход, который включает в себя: методы математической статистики и теории вероятности для достижения требуемой надежности результатов испытания анкерной крепи; метод лабораторных испытаний работоспособности конструктивных элементов анкерной крепи; метод шахтных инструментальных наблюдений для оценки проявлений горного давления на контуре подготовительных выработок; метод конечных разностей для численного моделирования напряженно-деформированного состояния системы «анкер-массив горных пород - анкерный опорный элемент».

В результате выполненных исследований установлено, что зависимость между нагрузкой и деформацией анкерного опорного сводообразного элемента описывается кубическим полиномом, причем первый экстремум соответствует началу пластической деформации элемента, а второй - достижению элементом плоской формы, что позволило обосновать в качестве индикаторной характеристики несущей способности анкерной крепи линейную зависимость работы пластической деформации анкерного сводообразного опорного элемента от величины ее прогиба и сократить время испытания анкера на два порядка при погрешности измерений не более 12 %. Доля энергии пластической деформации, которая рассеивается на анкерном опорном элементе находится в параболо-экспоненциальной зависимости от отношения жесткости анкерного опорного элемента к прочности контактирующей с ней породы что позволило обосновать оптимальную жесткость опорного элемента, при которой рассеивается более 30 % энергии горного давления. При поддержании подготовительной выработки позади движущейся лавы в зоне повышенной трещиноватости вмещающих пород работа анкерной крепи увеличивается по логарифмической зависимости и со стороны нетронутого массива в 1,66 раза выше, чем со стороны литой полосы, несмотря на то, что оседания кровли со стороны литой полосы в 1,5-2 раза больше, что позволило обосновать применение двухуровневого усиления кровли анкерами повышенной несущей способности и податливости, снизить асимметрию смещений и уменьшить в 2 - 3 раза деформации кровли выработки.

Обоснована методика последовательного анализа несущей способности анкерной крепи на основании применения комбинированного способа измерений, что позволяет сократить время испытаний на 2 - 3 порядка и обеспечить достаточный уровень надежности результатов испытаний. Разработана методика, способ и устройства для его реализации, используемые для количественной массовой экспрессоценки несущей способности анкерной крепи. Разработан технологический регламент поддержания повторно используемых выемочных штреков комбинированными охранными системами, который используется на угольных шахтах Украины при отработке высоконагруженных лав в сложных горно-геологических условиях.

Ключевые слова: высоконагруженный очистной забой, подготовительная выработка, устойчивость, комбинированная охранная система, анкер, опорный элемент, пластическая деформация, несущая способность.

SUMMARY

Halimendikov E.N. Development of rock bolt parameters for combine maintenance system due to longwall mining in complex geological environment - Manuscript.

Dissertation for seeking scientific degree candidate of engineering science on specialty 05.15.02 - “Mining”. Institute for physics of mining, Donetsk, 2010.

New methods for rock bolt tests and two level combine systems have been developed to maintain a roadway stability due to longwall mining. Linear dependence of plastic energy from plastic deformation of bolt washer and logarithm dependence of this energy from distance to longwall face have been found.

Rock bolt bearing capacity was determined as a fuction of plastic deformation of bolt washer. Asymmetrical behavior of entry has been understood for an entry that is maintained behind the longwall that has been directly ventilated. Law of plastic energy evolution was clarified and optimal range for washer rigidity were found. Bolt washer dissipates maximum ground pressure energy in this range.

Key words: longwall, entry, stability, combine maintenance system, rock bolt, washer, plastic deformation, bearing capacity.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні умови розвитку Украіни вимагають підвищення ефективності видобутку вугілля і продуктивності очисних вибоїв. Відпрацювання високонавантажених лав здійснюється тільки комбінованою системою розробки, що забезпечує прямотокову схему провітрювання та відсвіження виїмкових виробок. Реалізація такої схеми найбільш ефективна при використанні комбінованої охоронної системи, що складається з рамного, анкерного кріплень та опорної смуги. Проте в складних геологічних умовах інтенсивного порушення вугепородного масиву та обводнення його покрівлі навіть комбінована охоронна система не забезпечує задовільну стійкість підготовчої виробки в зоні активних зрушень позаду діючої лави. Можливості підвищення несучої спроможності рамного кріплення та опорних смуг практично вичерпані. Значним резервом, що дозволяє збільшити опір комбінованої охоронної системи гірському тиску є анкерне кріплення. Зокрема перспективними є канатні анкери, які дозволяють підвищити несучу спроможність кріплення в кілька разів. Проте перехід до нових анкерних систем має бути обґрунтованим, для чого необхідні надійні способи визначення несучої спроможності та працездатності анкерних систем тому, що на сучасній вугільній шахті встановлюється від 5 до 15 тисяч анкерів щомісячно. Нажаль, сучасні способи не дозволяють оцінювати несучу здатність та роботу опору репрезентативної кількості анкерів у прийнятний термін з надійністю 90 - 95 %. Тому вдосконалення параметрів кріплення комбінованої охоронної системи виробок високонавантажених очисних вибоїв є актуальною науково-технічною задачєю.

Наукова задача, що вирішується в даній роботі, полягає у встановленні закономірностей взаємодії анкерного кріплення з породним масивом в зоні активних зрушень у зв'язку з пластичною деформацією опорних анкерних елементів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані відповідно до тематичного плану науково-дослідних робіт ІФГП НАН України по темам "Встановлення закономірностей зміни фізико-механічного стану гірського масиву при підземній розробці вугільних пластів" (№ держреєстрації 0107U002130) та "Дослідження закономірностей поведінки породного масиву над відпрацьованим простором на еквівалентних матеріалах" (№ держреєстрації 0107U009335).

Метою роботи є підвищення стійкості виїмкових виробок високонавантаженої лави на основі вдосконалення параметрів анкерного кріплення в якості складової компоненти комбінованої охоронної системи.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні основні задачі досліджень

1. Вибрати об'єкт, на якому виконуються дослідження, та процедуру випробування анкерного кріплення, що забезпечує заданий рівень надійності.

2. Обґрунтувати і розробити методику оцінки несучої спроможності анкерного кріплення.

3. Вдосконалити параметри комбінованої охоронної системи підготовчих виробок, які підтримуються позаду високонавантажених лав.

4. Обґрунтувати оптимальну жорсткість анкерного опорного елементу з урахуванням міцності порід.

Основна ідея роботи полягає у використанні пропорційного зв'язку деформації породного масиву з його міцністю для вибору параметрів анкерного кріплення як складової компоненти комбінованої охоронної системи.

Об'єктом досліджень є процес взаємодії анкерного кріплення з оточуючими породами.

Предметом досліджень є параметри комбінованої охоронної системи виробок.

У роботі використано комплексний метод досліджень, який включає: методи математичної статистики і теорії ймовірності для досягнення надійності результатів випробування анкерного кріплення не нижче 95%; метод лабораторних випробувань роботи опору конструктивних елементів анкерного кріплення; метод шахтних інструментальних спостережень для оцінки проявів гірського тиску на контурі підготовчих виробок; метод скінчених різниць для чисельного моделювання пружно-деформованого стану системи "анкер - масив гірських порід - анкерний опорний елемент".

Наукові положення, що виносяться на захист:

- залежність між навантаженням та деформацією опорного анкерного склепоподібного елементу відображується кубічним поліномом, причому перший екстремум відповідає початку його пластичної деформації, а другий - досягненню пласкої форми, що дозволило обґрунтувати в якості індикаторної характеристики несучої спроможності анкерного кріплення лінійну залежність роботи пластичної деформації опорного елементу від величини його прогину і скоротити час випробування анкеру на два порядки при похибці вимірів не більше 12 %.

- при підтримці підготовчої виробки позаду діючої лави в зоні підвищеної тріщинуватості уміщуючих порід робота анкерного кріплення збільшується згідно логарифмічної залежності і збоку недоторканого масиву в 1,66 рази вище, ніж збоку литої смуги не дивлячись на те, що осідання покрівлі збоку литої смуги в 1,5 - 2 рази більше, що дало можливість зменшити асиметрію осідань покрівлі та навантаження на кріплення завдяки використанню дворівневого посилення покрівлі анкерами підвищеної несучої спроможності і піддатливості та зменшити у 2 - 3 рази деформації покрівлі.

Новизна наукових положень полягає в наступному:

1. Вперше виконана кількісна оцінка несучої спроможності анкерного кріплення по величині пластичної деформації анкерного опорного елементу, а також встановлена лінійна залежність між роботою пластичної деформації та величиною самої деформації.

2. Отримало подальший розвиток уявлення про несиметричну деформацію підготовчої виробки в умовах порушеного породного масиву, яка підтримується позаду лави в зоні активних зрушень комбінованою охоронною системою і забезпечує прямоточну схему провітрювання.

3. Уточнено закономірність зміни роботи опору анкерів з віддаленням лави та оптимальний діапазон жорсткості анкерного опорного елементу, в якому забеспечується максимальне розсіювання енергії деформації гірського масиву.

Наукове значення роботи полягає у встановленні залежностей зростання роботи опору анкерного кріплення: лінійної - від величини пластичної деформації анкерного опорного елементу та логарифмічної - з віддаленням від очисного вибою.

Практичне значення полягає в обґрунтуванні:

схеми дворівневого посилення покрівлі канатними анкерами підвищеної несучої спроможності і піддатливості, завдяки чому зменшено деформацію покрівлі виробки;

методики послідовного аналізу несучої спроможності анкерного кріплення на основі застосування комбінованого способу вимірів, що дозволяє скоротити на два порядки час випробування анкерів та забезпечити рівень надійності результатів випробування 95 %;

методики, способу та пристрою для масової кількісної оцінки несучої спроможності анкерного кріплення.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджена: статистично репрезентативним об'ємом виборки вихідних даних при випробуванні анкерів та їх опорних елементів; похибкою визначення несучої спроможності анкерного кріплення, яка не перевищує 12 % при надійності 95 %; коректним застосуванням методів математичної статистики та теорії ймовірності для встановлення стохастичних показників стійкості порід та чисельних методів моделювання пружно - деформованого стану гірського масиву, що зазнає впливу очисних робіт; позитивними результатами промислової перевірки розробленої методики оцінки несучої спроможності анкерного кріплення.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Спосіб підтримання підготовчих виробок комбінованими охоронними системами, що містять дворівневе посилення покрівлі канатними анкерами підвищеної несучої спроможності і піддатливості включено в "Технологічний регламент підтримання виїмкових штреків, що використовуються повторно, комбінованими охоронними системами. - Дніпропетровськ: Мінвуглепром України, ІГТМ НАНУ, 2009. - 36с.".

Вказаний спосіб використовується на вугільних шахтах України при відпрацюванні високонавантажених лав в складних геологічних умовах. Економічний ефект від впровадження способу на ПАТ "Шахтоуправління "Покровське" для підтримки 3 конвеєрного штреку блока № 10 склав 385 тис. грн. в 2010 році.

Особистий внесок автора в роботу полягає у формулюванні цілі та задач досліджень, наукових положень, ідей послідовного аналізу несучої спроможності анкерного кріплення та дворівневого посилення покрівлі анкерами. Автор самостійно виконав аналіз результатів шахтних інструментальних спостережень, лабораторних випробувань та математичного моделювання. У співавторстві виконані шахтні та лабораторні дослідження, розроблена нормативна документація, оцінена ефективність результатів впровадження.

Апробація результатів роботи здійснена на: науково-технічних радах ПАТ "Шахтоуправління "Покровське" в 2007 - 2009р.; Міжнародній конференції "Форум гірника 2010", Україна, Дніпропетровськ, 2010; XVIII Міжнародній науковій школі ім. акад. С.А. Христиановича "Деформирование и разрушение материалов с дефектами и динамические явления в горных породах и выработках" - Крим, Алушта, 2008 р.; III Міжнародній науково-практичній конференції "Школа підземної розробки" - Дніпропетровськ, 2009 р.; регіональній науково-практичній конференції "Геотехнології і охорона праці у гірничій промисловості" - Красноармійськ, 2009 р.; наукових семінарах Інституту фізики гірничих процесів НАН України 2008-2009 р.; науково-технічних семінарах ДонНТУ в 2008-2009 р.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 13 наукових працях, зокрема у восьми статтях в спеціалізованих збірниках, затверджених ВАК України, трьох доповідях у збірниках матеріалів міжнародних конференцій та двох нормативних документах.

Об'єм і структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, висновку, списку використаної літератури зі 199 найменувань на 20 сторінках і додатків на 9 сторінках. Основний текст роботи викладений на 154 сторінках машинописного тексту, містить 64 малюнки і 10 таблиц. Загальний об'єм роботи складає 183 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Сучасні вугільні шахти відпрацьовують лави з використанням комбінованих систем розробки з прямоточною схемою провітрювання. Така технологія забезпечує найбільш сприятливі умови для видалення метану повітряним потоком, витіснення в вироблений простір та проведення ефективної дегазації товщі порід позаду лави в зоні активних зрушень, де відбувається максимальне газовиділення із супутників. Проте саме в цій зоні реєструється найбільша інтенсивність негативного прояву гірського тиску. Для протидії цьому явищу використовують комбіновані охоронні системи, що складаються з рамного і анкерного кріплення та опорних смуг, що забезпечує стійкість підготовчої виробки в зоні активних зрушень, особливо при потужності вугільного пласта 1,5 - 2,0 м.

Саме тому, комбіновані охоронні системи широко використвуються на вугільних шахтах Германії, Польщі, України та інших вугледобувних державах. Останнім часом комбіновану охоронну систему доповнюють тампонажем закріпного простору, стяжними анкерами, тимчасовим підсилюючим кріпленням, тощо. Вітчизняними та закордонними провідними науковими школами були сформульовані умови застосування комбінованих охоронних систем, розроблені методики розрахунку їх параметрів, та удосконалено конструкції кріплення. Так ІГТМ НАНУ розроблені основи опорно-рамного кріплення, вченими Національного гірничого універсітету досліджені особливості пружно-деформованого стану масиву, ДонНТУ, та ДонбДТУ вдосконалені конструкції комбінованих охоронних систем. Вченими Тульського державного, Московського гірничого та Південно-Російського державних університетів досліджені особливості взаємодії анкерних систем з оточуючим масивом гірських порід. Німецькі спеціалісти провідних гірничих шкіл проводять експериментальні випробування та постійно вдосконалюють конструкції комбінованих охоронних систем.

На сучасний момент стало очевидним, що рамне кріплення та опорні смуги як складові компоненти комбінованих охоронних систем практично вичерпали свої можливості, особливо в умовах порушенного породного масиву. Суттєвий резерв для підвищення несучої спроможності виробок містить анкерне кріплення. Так, на поточний момент як складову системи масово використовують сталеполімерні анкери довжиною 1,5 - 3 м, нормативний опір яких варіюється від 150 до 250 кН. Разом з тим існують канатні анкери довжиною 4 - 7 м, несуча спроможність і піддатливість яких у два-три рази вища.

Проте перехід до нових анкерних систем має бути обґрунтованим для чого необхідні надійні способи визначення несучої спроможності та працездатності анкерних систем. На жаль, сучасні способи не дозволяють випробувати несучу здатність та роботу опору репрезентативної кількості анкерів у прийнятний термін з надійністю 90 - 95 %. Тому розробка та обґрунтування таких способів дає можливість вирішити актуальну науково-технічну задачу вдосконалення параметрів кріплення комбінованої охоронної системи виробок високонавантажених очисних вибоїв.

У другому розділі вибраний об'єкт, на якому виконуються дослідження та обґрунтовано процедуру випробування анкерного кріплення, що забезпечує заданий рівень надійності. Для виконання основних натурних спостережень та проведення промислової перевірки розроблених рекомендацій вибрано ПАТ "Шахтоуправління "Покровське". Шахта характеризується широким спектром гірничо-геологічних та гірничотехнічних умов розробки вугільного родовища. Глибина гірничих робіт змінюється в півтора рази, а потужність вугільного пласта коливається в 2,2 рази. Майже 40 % від загальної довжини підготовчих виробок підтримують у зонах негативного впливу малоамплітудної порушеності, де спостерігається підвищена тріщинуватість, обводнення покрівлі та інтенсивна деформація кріплення. На таких ділянках існуючі конструкції комбінованих охоронних систем не забезпечують задовільний стан підготовчих виробок.

Враховуючи масове використання анкерів в комбінованих охоронних системах існуючий спосіб контролю якості анкерного кріплення шляхом його висмикування не може забезпечити надійні результати випробування, оскільки протягом зміни є можливість випробувати не більше 3-5 анкерів. Крім того, коефіцієнт варіації жорсткості анкерів сягає 148 %, що свідчить про великий розкид їх параметрів і вимагає значної кількості випробувань.

У зв'язку з цим автором дисертації обґрунтована нова методика послідовного аналізу якості встановлення анкерів, яка дозволяє оцінити партію анкерів з 5-15 тис. штук шляхом випробування кількох десятків анкерів. Додатково для прискорення терміну випробування запропоновано два нових підходи. Перший базується на встановленні залежності параметрів спектру власних коливань системи "анкер-порода" від якості установки та закріплення анкера. Другий підхід заснований на встановленні зв'язку між пластичною деформацією анкерних опорних елементів та роботою опору анкера гірському тиску. Отже комбінування методики послідовного аналізу, та двох нових способів визначення якості закріплення анкерів та їх несучої спроможності дало можливість виконати випробування анкерів протягом однієї зміни двом робітникам та забезпечити надійність висновків на рівні 95 %.

В третьому розділі обґрунтована і розроблена методика оцінки несучої спроможності анкерного кріплення. Для оцінки якості закріплення анкеру розроблений віброакустичний метод експресконтроля, що базується на аналізі параметра спектру власних коливань анкера та оточуючої його породи. Контроль анкера виконують шляхом нанесення ударів по головці анкера і реєстрації спектру власних коливань пристроєм РАМШ. Встановлено, що якість закріплення анкера знаходиться в зворотній залежності від коефіцієнту варіації спектру власних коливань.

Рішення про прийомку чи браковку місячної партії анкерів приймають при ризику споживача та поставщика на рівні 10 % з надійністю, що є не меншою за 90 %. Практика показала, що при використанні методики послідовного контролю такий надійний висновок отримують після випробування 24-40 анкерів. При цьому на кожний анкер витрачають не більше хвилини.

Розробка способу оцінки несучої спроможності анкера в процесі активних зрушень масиву гірських порід базувалась на дослідженні пружно-деформованого стану системи анкер-порода методом розтягування суміжних породних блоків, що відповідає реальним умовам роботи анкерного кріплення (рис. 1). Анкер 1 має опорний елемент 2 та розтягується суміжними породними блоками 3 на ділянці 4. Набір зусилля натягу в середній частині анкеру відбувається нелінійно. Спочатку зусилля збільшується з прискоренням, а перед руйнуванням контакту з породою темпи приросту розтягуючих зусиль затухають, що обумовлено нелінійними процесами деформування контакту анкера з породою і, зокрема, пластичною деформацією анкерного опорного елементу, роль якого виконує підхват, верхняк, шайба, або інша опорна конструкція. Після переходу опорного елементу в пластичний стан натяг стабілізується і 80 % всієї деформації контакту анкера з оточуючим породним масивом відбувається в пластичному стані опорного елементу. Це означає, що більша частина процесу деформації контакту може бути охарактеризована пластичною деформацією анкерного опорного елементу.

18

Размещено на http://www.allbest.ru/

Доля енергії А деформації анкерного опорного елемента, що розсіюється змінюється від 0 до 48 % від загальної роботи опору анкера гірському тиску і залежить від відношення жорсткості К елемента до міцності породи у, яка з нею контактує (рис. 2):

А = 32,5 х² exp(-х²/4), (1)

де х = К/(300у).

При значенні показника К/у <300 м^-1 анкерний опорний елемент надто піддатливий і розсіює не більше 10 % енергії гірського тиску. У випадку К/у >1300 м^-1 опорний елемент занадто жорсткий і практично не зазнає пластичних деформацій. Максимум енергії він розсіює при К/у >600 м^-1. Таким чином встановлено оптимальний діапазон жорсткості анкерного опорного елемента.

В якості анкерного опорного елементу часто використовують конусні шайби. Тому для визначення можливості оцінки несучої спроможності анкера по пластичній деформації його опорного елементу були виконані спеціальні лабораторні випробування конусних шайб різної товщини. З'ясувалося, що залежність між навантаженням та деформацією анкерної конусної шайби відображується кубічним поліномом (рис. 3), причому перший екстремум відповідає початку пластичної деформації шайби, а другий - досягненню шайбою пласкої форми. Отже незалежно від товщини анкерні конусні шайби мають спільну характеристику, що пов'язує прогин та навантаження на шайбу.

18

Размещено на http://www.allbest.ru/

Недоліком такої характеристики є неоднозначність визначення навантаження на шайбу. Так одному і тому ж рівню деформації можуть відповідати два або три значення навантаження. Цей недолік усувається перетворенням деформаційних характеристик анкерних конусних шайб шляхом їх інтегрування. З'ясувалося, що після інтегрування характеристики стали практично лінійними (рис. 4), причому показник тісноти зв'язку близький до одиниці.

Це дозволило обґрунтувати в якості індикаторної характеристики несучої спроможності анкерного кріплення лінійну залежність роботи пластичної деформації анкерної конусної шайби від величини її прогину.

Моніторинг несучої спроможності анкерів на ділянках активного прояву гірського тиску здійснюється пристроєм, який зображено на рис. 5. Пристрій складається з досильника 1, остання ланка якого має шкалу 2. Шкала 2 з'єднана зі щупом 3 і контактує з повзунком 4, який має можливість ковзати відносно шкали 2. На кінці повзунка 4 виконано фігурний уступ 5.

18

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пристрій працює наступним чином. Повзунок 5 висувається вперед і притискується до краю анкерної шайби уступом 5. Досильником 1 шкалу 2 і щуп 3 пересувають назустріч шайбі до виникнення контакту між щупом і поверхнею анкерної шайби. Після цього пристрій опускають і беруть відлік по шкалі 2. Таких вимірів виконують по 3 - 4 на кожній шайбі, а величину пластичної деформації усереднюють. Експерименти свідчать, що коефіцієнт варіації пластичних деформацій не перевищує 12 %.

Хронометраж показав, що один робітник виконує обмір анкерної шайби протягом 35 - 45 секунд. Це дає змогу провести моніторинг 100 - 150 анкерів впродовж одної зміни, що забезпечує достатню вибірку даних, щоб з надійністю 95 % визначити несучу спроможність анкерного кріплення на виїмковій дільниці у зоні активних зрушень і інтенсивного прояву гірського тиску.

В четвертому розділі вдосконалено параметри комбінованої охоронної системи підготовчих виробок, які підтримуються позаду високонавантажених лав. Для цього була досліджена стійкість підготовчих виробок на ділянках негативного впливу малоамплітудних порушень. Натурні спостереження інтенсивних проявів гірського тиску виконувались на восьми експериментальних ділянках. Якість закріплення анкерів вивчалась методом віброметрії, який розроблено автором дисертації та використанням методики послідовного аналізу. На ділянках активного прояву гірського тиску вимірювались зрушення порід на контурі експериментальних виробок, та розшарування покрівлі за допомогою глибинних реперів. Моніторинг роботи опору анкерного кріплення гірському тискові здійснювався на основі аналізу пластичних деформацій анкерних шайб згідно методу, розробленому автором.



18

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зрушення порід покрівлі збоку виробленого простору де розташована лита смуга, більше в 2 - 3 рази ніж величина зрушень біля недоторканого масиву.

Натомість робота опору анкерів гірському тиску з віддаленням лави змінюється згідно логарифмічного закону, причому розшарування та руйнування покрівлі збоку недоторканого масиву відбувається інтенсивніше, що відображається у збільшенні роботи опору анкерного кріплення в 1,66 рази. В результаті виникає заклинювання замків піддатливості металічного рамного кріплення та втрата його несучої спроможності. Як наслідок, ефективність прямоточного провітрювання зменшується, а підготовча виробка стає непридатною для повторного використання.

Комп'ютерне моделювання дало можливість встановити механізм втрати стійкості підготовчої виробки на ділянках малоамплітудних порушень. Навколо виробки в її покрівлі зафіксовано три ділянки інтенсивних руйнувань. Ці зони виникають над литою смугою, в склеповій частині перерізу виробки, та над крайовою частиною недоторканого масиву. Сталеполімерні анкери не в змозі зупинити ці руйнування, оскільки вони проковзують у тріщинуватому водонасиченому масиві і не мають опори, в якій можливо закріпитися. Зміщення на контурі підготовчих виробок збільшується в середньому в К1/К2 = 1,81 рази, а робота опору анкерного кріплення в А1/А2 = 1,62 рази (табл. 1).

Таблиця 1. Порівняння ефективності роботи анкерного кріплення на інтервалах підготовчої виробки, розташованої в різних гірничо-геологічних умовах

Поза межами мало амплітудних порушень	В межах порушень	К1/К2	А1/А2
Зрушення покрівлі, мм Зрушення покрівлі, мм
Повне, К1	В межах анкерів	Середня робота опору анкерів, А1, кНмм	Повне, К2	В межах анкерів	Середня робота опору анкерів, А2, кНмм
350	250	1055	560	280	1654	1,60	1,57
420		1302	712		2104	1,70	1,62
382	186	1216	745		2065	1,95	1,70
411		1017	784		1425	1,91	1,40
436		1194	625	314	2175	1,43	1,82
480	245	1289	1205		1769	2,51	1,37
395		1190	575		2209	1,46	1,86
410,6	227,0	1180,4	743,7	297,0	1914,4	1,81	1,62

На основі виконаних досліджень обґрунтовано новий паспорт кріплення підготовчої виробки комбінованою охоронною системою (рис.7), яка дала змогу ліквідувати вказані зони руйнації в покрівлі підготовчої виробки позаду діючої лави, зменшити асиметрію деформацій, та стабілізувати стійкість виробки в цілому.

Паспорт кріплення модифікований наступним чином. Кількість сталеполімерних анкерів довжиною 2,4 м, які формують перший рівень підсилення покрівлі зменшена з 13 до семи. Додатково залишений підхватний анкер, що підтримує верхняк на період зняття стійки напроти вікна лави. Крім цього додано три канатних анкери довжиною 5 м та несучою спроможністю 350 кН. Ці канатні анкери створюють другий рівень підсилення і розміщені в зонах інтенсивного руйнування покрівлі, параметри яких були встановлені в результаті виконаних досліджень. Крім цього канатні анкери закріплені в міцному пісковику, стійкому до обводнення, що забезпечило стабілізацію підготовчої виробки та ефективність роботи комбінованої охоронної системи.

18

Размещено на http://www.allbest.ru/

анкерний кріплення деформація опорний

Модифікована таким чином система впроваджена в ПАТ "Шахтоуправління "Покровське" в 3 південному конвеєрному штреку, що дало можливість забезпечити його задовільну стійкість на ділянках негативного впливу малоамплітудної порушеності. Завдяки цьому збережена ефективність прямоточної схеми провітрювання 4 південної лави блоку 10, високе навантаження на яку підтримувалось на рівні 3-4 тис. тон на добу при гарантуванні необхідної безпеки очисних робіт. Крім цього 3 південний конвеєрний штрек буде повторно використаний для відпрацювання 3 південної лави, що дає фактичний економічний ефект 385 тис. гр. на кілометр підготовчої виробки.

Спосіб підтримання підготовчих виробок комбінованими охоронними системами, що містять дворівневе посилення покрівлі канатними анкерами підвищеної несучої спроможності і піддатливості включено в "Технологічний регламент підтримання виїмкових штреків, що використовуються повторно, комбінованими охоронними системами. - Дніпропетровськ: Мінвуглепром України, ІГТМ НАНУ, 2009".

ВИСНОВОК

Дисертація є завершеною науковою роботою в області підземної розробки родовищ корисних копалин, в якій на основі вперше встановлених лінійної залежності зростання роботи опору анкерного кріплення від величини пластичної деформації анкерного опорного елементу та логарифмічної залежності - з віддаленням очисного вибою, розроблено і обґрунтовано нову методику випробування та послідовного аналізу несучої спроможності анкерного кріплення й дворівневу схему посилення комбінованої охоронної системи, що дало можливість забезпечити прямоточну схему ефективного провітрювання та зберегти високе навантаження на лави.

Основні наукові результати даної роботи полягають в наступному.

1. Відомі методи випробування якості закріплення анкерів та їх несучої спроможності не дозволяють виконати оперативний моніторинг промислових партій кріплення і зробити висновок про їх ефективність з рівнем надійності 90-95 % в короткий час. Відсутність таких методів утруднює вдосконалення комбінованих охоронних систем та оцінку їх ефективності.

2. Обґрунтовано методику послідовного аналізу несучої спроможності анкерного кріплення на основі застосування комбінованого способу вимірів, що дозволяє скоротити на два порядки час випробування анкерів та забезпечити рівень надійності результатів випробування 95 %. Розроблена методика, спосіб та пристрій для його реалізації, що використовують для масової кількісної оцінки несучої спроможності анкерного кріплення.

3. Доля енергії пластичної деформації, що розсіюється на анкерному опорному елементі знаходиться в параболо-експоненційній залежності від відношення жорсткості шайби до міцності породи, яка з нею контактує, що дозволило обґрунтувати оптимальну жорсткість шайби, при якій розсіюється більш ніж 30 % енергії гірського тиску.

4. Залежність між навантаженням та деформацією анкерного опорного склепоподібного елементу відображується кубічним поліномом, причому перший екстремум відповідає початку пластичної деформації опорного елементу, а другий - досягненню ним пласкої форми, що дозволило обґрунтувати в якості індикаторної характеристики несучої спроможності анкерного кріплення лінійну залежність роботи пластичної деформації анкерного опорного елементу від величини її прогину і скоротити час випробування анкеру на два порядки при похибці вимірів не більше 12 %.

5. Зрушення порід покрівлі збоку виробленого простору де розташована лита смуга, більше в 1,5 - 2 рази ніж величина зрушень збоку недоторканого масиву. Натомість розшарування та руйнування покрівлі біля недоторканого масиву відбувається інтенсивніше, що відбивається у збільшенні роботи опору анкерного кріплення в 1,66 рази, а робота опору анкерів гірському тиску з віддаленням лави змінюється згідно логарифмічній залежності. В результаті виникає заклинювання замків піддатливості металевого рамного кріплення та втрата його несучої спроможності. Це призводить до зменшення ефективності прямоточного провітрювання, а підготовча виробка стає непридатною для повторного використання.

6. Навколо виробки в її покрівлі виникає три ділянки інтенсивних руйнувань. Ці зони виникають над литою смугою, в склеповій частині перерізу виробки, та над крайовою частиною недоторканого масиву. Сталеполімерні анкери не в змозі зупинити ці руйнування оскільки вони проковзують у тріщинуватому водонасиченому масиві і не мають опори, в якій можливо закріпитися. Зміщення на контурі підготовчих виробок збільшується в середньому в 1,81 рази, а робота опору анкерного кріплення в 1,62 рази.

7. Спосіб підтримання підготовчих виробок комбінованими охоронними системами, що містять дворівневе посилення покрівлі канатними анкерами підвищеної несучої спроможності і піддатливості включено в "Технологічний регламент підтримання виїмкових штреків, що використовуються повторно, комбінованими охоронними системами. - Дніпропетровськ: Мінвуглепром України, ІГТМ НАНУ, 2009 ".

Вказаний спосіб використовується на вугільних шахтах України при відпрацюванні високонавантажених лав в складних геологічних умовах. Економічний ефект від впровадження способу на ПАТ "Шахтоуправління "Покровське" для підтримки 3 конвеєрного штреку блока 10 становить 385 тис. гривень в 2010 році.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Обеспечение устойчивости горных выработок при интенсивной отработке угольных пластов/ М.А. Ильяшов, Е.Н. Халимендиков //Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр., ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2005. - Вып. 61. - С. 309-313.

2. Виброакустическая диагностика работы рамной крепи выемочных штреков при интенсинвой отработке угольного пласта/ Е.Н Халимендиков. //Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр., ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2007.- Вып. 73.-С.111-117.

3. Выбор и обоснование способа охраны и поддержания основных наклонных выработок в сложных горно-геологических условиях глубокой шахты/ Е.Н. Халимендиков, А.С.Янжула, А.И.Демченко, А.А.Яйцов, М.В.Головин //Проблеми гірського тиску. Збірник наукових праць ДонНТУ.-Донецьк: ДонНТУ, 2007, вип. 16. С. 117-147.

4. Оценка влияния скорости подвигания очистного забоя на вмещающие боковые породы/ М.А.Ильяшов, Е.Н.Халимендиков, Н.И.Лобков, А.И.Сергиенко, В.М.Куцерубов // Уголь Украины. - 2008. - № 8. - С. 11 - 13.

5. Синтез комбинированных охранных систем для поддержания подготовительных выработок в сложных горно-геологических условиях / А.В.Агафонов, О.Д.Кожушок, Е.Н.Халимендиков, Л.В.Прохорец //Геотехническая механика: Межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2008. - Вып. 78. - С. 73-86.

6. Оценка влияния скорости подвигания очистного забоя на состояние призабойной зоны по результатам ретроспективного геомеханического анализа/ Е.Н. Халимендиков // Праці ІІІ міжнародної науково-практичної конференції «Школа підземної розробки».- Дніпропетровськ: НГУ, 2009.-С. 387-391

7. Технологический регламент поддержания повторно используемых выемочных штреков комбинированными охранными системами. - Днепропетровск: Минуглепром Украины, ИГТМ НАНУ, 2009. - 36с.

8. Методические рекомендации по геофизическому контролю и диагностике геомеханического состояния подземных геотехнических систем угольных шахт/ Минуглепром Украины, ИГТМ НАНУ- Днепропетровск: «ВИК», 2009.-80с.

9. Результаты оценки качества установки анкерной крепи/ Халимендиков Е.Н. // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр., ИГТМ НАН Украины. - Днепропетровск, 2009.- Вып. 83.-С.49-54.

10. Комбинированные охранные системы, обеспечивающие повторное использование выработок выемочного участка/ М.А.Ильяшов, О.Д.Кожушок, Б.М.Усаченко, Е.Н.Халимендиков // Наукові праці УкрНДМІ, №5 (частина 1). -Донецьк: УкрНДМІ, 2009. - С. 451-465

11. Совершенствование метода оценки несущей способности анкерной крепи/ М.А.Ильяшов, А.В.Агафонов, Е.Н.Халимендиков, В.В.Назимко // Уголь Украины, №6, 2010.-С.6-8.

12. Определение разрушающих напряжений от прогиба слоев над выработанным пространством // Лобков Н.И., Сергиенко А.И., Сергиенко Л.В., Куцерубов В.М., Халимендиков Е.Н. Физико-технические проблемы горного производства. Вып.10.-Донецк: ИФГП НАНУ, 2006.- С.119-127.

13. Влияние малоамплитудной нарушенности на устойчивость подготовительных выработок/ Е.Н.Халимендиков // Праці наукової міжнародної конференції "Форум гірника-2010". -Дніпропетровськ:НГУ, 2010. С. 110-115

Особистий внесок здобувача в роботах, написаних у співавторстві: [1-5] - постановка задачі, результати інструментальних спостережень, математичне моделювання зсувів, аналіз результатів досліджень; [7,8] - ідея використовувати віброметрію для оцінки якості закріплення анкеру та канатні анкери в якості підсилюючої компоненти комбінованої охоронної системи; [10-12] - розробив метод моніторингу несучої спроможності анкерів шляхом вимірювання пластичної деформації анкерного опорного елементу, обґрунтував методику послідовного аналізу.

Размещено на Allbest.ru